Algen-Wachstumslogger
Saramaria Schreib und Thomas Petzoldt
January 2021
Grundidee
Sachverhalte werden schneller verstanden und langfristig abgespeichert, wenn das Wissen praktisch angewendet wurde. Genau das ist das Ziel, das mit diesem Projekt erreicht werden sollte.
Beschrieben wird eine Apparatur, in der Wachstumsprozesse einer Grünalgen-Batch-Kultur aufgezeichnet und anschließend visualisiert ausgewertet werden können. Verwendet wurde zur Konstruktion einfache Messeinrichtung (basierend auf der von Idee von THoams Petzoldt, siehe:), ein unkomplizierter Aufbau sowie eine leicht zu verstehende und den Wunschvorstellungen entsprechend anpassbare Software.
Die Apparatur wurde für die Verwendung in schulischen und universitären Praktika entwickelt. Die Aufzeichnung von Wachstumskurven ist ohne großen Aufwand möglich. Zudem wird die Bedeutung von Kalibrierungen deutlich. Der Umgang mit Mikrocontrollern kann erlernt werden.
Der Algen-Wachstumslogger
In diesem Experiment wurden drei baugleiche Apparaturen konstruiert. Diese sind in der obenstehenden Abbildung gezeigt. Durch die Plastik-Kisten sind sie voneinander abgeschirmt und können mit unterschiedlichen Lichtrhythmen betrieben werden ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Verwendet wurden leicht erwerbbare Materialen, wie beispielsweise eine Grundplatte aus Sperrholz, Gewindestäbe und Muttern sowie Polystyrol als Standplatte für die Laborflasche mit der Algenprobe.
Technik
Als technische Bauteile wurden handlesübliche sowie preisgünstige Geräte verwendet. Auf dem Steckbrett unten zeigt die Anordnung dieser.
Tabelle mit genauer Bezeichnung und Grund der Verwendung einfügen
Steckbrett der Step-Down-Module
Die Step-Down-Module transferieren die Netzteilspannung in die jeweils benötigte Spannung. Somit wurde den LED-Streifen mit dem rechten Modul eine Spannung von ca. 18V bereitgestellt. Die restlichen Bauteile wurden mit 7,75V betrieben.
Mit Fritzing wurde die Steckbrettanordnung digitalisiert, sodass bereits fertig verdrahtete Steckbretter bestellt werden könnten. In diesem Fall spart man sich das zeitintensive Verdrahten.
Schaltplan (erstellt mit fritzing)
Software
Mit dem hier verlinkten R-Skript werden die Messungen in den Apparaturen gesteuert. Die LED-Streifen werden an- bzw. ausgeschaltet, die Temperatur wird aufgezeichnet, die Laserdiode wird im Messintervall eingeschaltet und zeitgleich werden die Informationen des digitalen Lichtsensors ausgewertet und die Messdaten zwischengespeichert.
hier R-Skript reinstellen
Anschließend werden die Daten derzeit an den zentralen Server der TU-Dresden übermittelt. Von dort aus kann auch aus externen Internetanbindungen, wie das häusliche W-LAN, auf den derzeitigen Stand der Messungen zugegriffen werden. In growthlab kann man den Zeitraum des zu betrachtenden Messintervalls einstellen. Es werden automatisch Diagramme erstellt, die die Temperaturmesswerte sowie die Messwerte des digitalen Lichtsensors in Abhängigkeit von der Zeit darstellen.
Messdaten Growthlab im Zeitraum vom 05. bis 07.März 2020
Auswertung der Daten
Kalibrierung
Formel zur Umrechnung der Messwerte in auswertbare relative Algenkonzentration 
Wachstumskurven
Die Wachstumskurven, die aus den bisher aufgezeichneten Daten erstellt werden konnten, zeigen einen typischen logistischen Verlauf. Auf eine anfängliche lag-Phase folgt die Phase des exponentiellen Wachstums. Nach etwa zwei Wochen ist die Maximalkonzentration erreicht. Das nachfolgende Diagramm zeigt lediglich die Meswerte, die um 18 Uhr aufgezeichnet wurden. Kleine Unregelmäßigkeiten sind auf geringe Messfehler der Messeinrichtung zurückzuführen.
Wachstumskurve 11.03.-30.03.2020 (Licht ein: 8 Uhr, Licht aus: 20 Uhr)
Die Datenauswertung in RStudio bietet vielfältige Möglichkeiten, die Messwerte in Diagramme zu überführen. So können auch zu zwei unterschiedlichen Tageszeiten (beispielsweise früh und abends) die Messdaten ausgelesen werden. Im untenstehenden Diagramm sind die Messwerte um 6 Uhr grün sowie die Messwerte um 18 Uhr rot dargestellt. Somit lassen sich Anpassungen des Photosystems an Licht- / Dunkelverhältnisse veranschaulichen und erklären.
Wachstumskurve (Licht ein: 6 Uhr, Licht aus: 22 Uhr)
Aus dieser Wachstumskurve wird ersichtlich, dass die Probe nach etwa drei Wochen fällt die relative Konzentration der Algen wieder ab. Die Algenprobe ist in diesem Fall verklumpt, die maximale Konzetration wurde erreicht und es kam zum Algensterben.
Weitere Möglichkeiten der Datenanalytik
Auch weiterführende Begriffe, wie Wachstumsrate und Verdopplungzeit lassen sich mit den aufgenommenen Daten graphisch darstellen. Das untenstehende Diagramm zeigt beispielhaft die Wachstumsrate. Auch hier lassen sich die Beobachtungen des zweiten Wachstumsdiagramms bestätigen. Mit zunehmender Zeit sinkt die Wachstumsrate; die Algen wachsen somit zunehmend langsamer. Schließlich fällt die Wachstumsrate unter Null, die Probe ist gekippt.
Diese Anleitung entstand im Rahmen von Jugend Forscht (2021): Saramaria Schreib (Autorin), Thomas Petzoldt (Betreuer, Maintainer). Das Dokument, Fotos, Skripte und Daten stehen unter der CC BY 4.0- Lizenz.